在模拟条件下，评估不同等级金红石合金焊丝对环境影响程度的方法的有效性

《Journal of Cleaner Production》：Effectiveness of methods to assess the degree of environmental impact on different grades of rutile flux-cored wires under simulated conditions

　　亚历山德拉·斯维尔钦斯卡（Aleksandra ?wierczyńska）| 米哈尔·兰多夫斯基（Micha? Landowski）| 达里厄什·菲德里赫（Dariusz Fydrych）
波兰格但斯克工业大学机械工程与造船技术学院制造与材料技术研究所
地址：加布里埃拉·纳鲁托维奇街11/12号，80-233，格但斯克

**摘要**
焊接接头的质量在很大程度上取决于消耗品的质量，而消耗品的质量又受到其运输和储存条件的影响。尽管有针对消耗品储存的建议，但在生产实践中并不总是得到遵循，这可能导致诸如腐蚀、氢含量增加以及焊接过程不稳定等问题。目前尚无有效的方法来评估储存后的药芯焊丝质量。本文研究了各种极端储存条件对8种不同型号金红石药芯焊丝的影响。这些条件是在气候试验箱中模拟的，涵盖了四种气候类型：赤道气候、湿润大陆性气候、沙漠气候和干燥大陆性气候。在储存前后，对焊丝样品进行了显微镜观察。对于每种储存条件，通过 gravimetric 方法在储存期（最长48小时）内分五个时间点测量了焊丝的吸湿情况。显微镜观察结果显示，不同焊丝表面的降解程度存在显著差异。在赤道气候条件下，腐蚀最为严重，其中一根焊丝上形成了厚厚的腐蚀产物层，另外四根焊丝上也出现了腐蚀点；而在沙漠和干燥大陆性气候条件下，大多数焊丝的腐蚀现象较不明显。最容易受到影响的焊丝质量损失约为最不易受影响焊丝的7.6倍。还对选定的焊丝进行了电阻测试，发现其中一根焊丝的电阻因储存而增加了5%。所获得的数据被用于聚类分析和线性排序，结果识别出四个具有相似环境敏感性的焊丝组，这为寻找替代品以及规避生产中使用劣质焊丝带来的风险提供了参考。

**引言**
在焊接等特殊工艺中，无法轻松或经济地验证最终产品的质量。这要求对工艺输入和输出数据进行精确测量（Moreno等人，2022；Qin等人，2024）。随着焊接技术及其相关设备、消耗品和工艺的不断发展，焊接过程的控制范围得到了扩展（Hoefer和Hensel，2024；Lozynskyi等人，2024；Xu等人，2024），使得焊接过程更加精确可控，工艺数据也更加详尽（Jang等人，2023）。因此，焊接接头的质量得到了提升，重复性增强，生产成本降低，焊接过程对环境的影响也有所减小（Serinda?等人，2022；Hu和Hu，2024）。这些改进得益于消耗品浪费的减少、切割、挖槽和维修次数的优化，以及焊接过程中产生的焊接烟雾的降低（Westin等人，2021；Kahhal等人，2024；Liu等人，2024）。在焊接工艺中，越来越多的采用了信息物理生产系统，这是工业4.0甚至5.0技术的重要组成部分（Ahmed等人，2022；Sharma和Gupta，2024）。选择合适的焊接消耗品是确保焊接技术正确实施的关键，有助于实现过程的控制、管理和自动化（Trembach等人，2021；Coetsee和De Bruin，2024；Ivanov等人，2024）。根据所需的机械性能（如延展性、冲击强度、耐腐蚀性等），制造商为用户提供相应的消耗品，以满足焊接接头的质量要求（Diniz和de Morais，2020；Kim等人，2020；Kumar等人，2022）。

未能实现预期接头性能的一个常见原因是用户未能遵守正确的运输、储存和使用规范，可能包括使用不合格的人员、不匹配的焊接参数、未执行必要的额外工序，或消耗品不适用于特定工艺。储存和使用的环境条件同样重要（Tomków等人，2019；Pasandeh和Pouranvari，2023；Wolski等人，2024）。各制造商都会规定相对湿度、温度等储存和运输条件；遵守这些规范可以保证消耗品的良好状态，从而保证焊接接头的质量（?wierczyńska等人，2022）。然而，焊接实践表明这些条件经常被违反——有时是在使用过程中短暂违反，有时是长时间处于不当环境中。焊接人员必须意识到这些情况并能够及时作出应对。降解程度的评估通常通过视觉方法进行，据此决定是否继续使用材料、更换受损部分或彻底丢弃材料。错误使用劣质材料导致的维修成本非常高，远超消耗品的成本。

**药芯弧焊（FCAW）**
近年来，药芯弧焊（Flux Cored Arc Welding, FCAW）的应用越来越广泛，广泛应用于各个行业领域，包括海上作业、交通运输、建筑和造船（Kordas等人，2019；Fitriyus等人，2023；Hariprasath等人，2023）。该技术也成为全球研究论文和文章的热门主题（?wierczyńska等人，2024）。研究表明，FCAW工艺还应用于增材制造、耐磨涂层和水下焊接（Pańcikiewicz，2021；Liu等人，2022；??mez等人，2024）。FCAW的主要优势包括：效率高、焊工培训容易、工艺灵活性强、焊接接头质量高，以及可实现自动化和机器人化（?wierczyńska等人，2024）。FCAW使用的药芯焊丝由金属护套包裹，内部填充金红石或碱性熔剂（Pitrun和Nolan，2006）。金红石填充焊丝具有优异的流动性能和定位焊接能力，常用于恶劣环境下的低合金钢焊接（Assun??o和Bracarense，2023；Yang等人，2023）；碱性填充焊丝则具有良好的机械性能，适用于高强度低合金钢的焊接（?evik等人，2021）。但该工艺也存在缺陷风险，如夹杂物产生、延展性降低以及焊接接头裂纹风险增加（Mu等人，2021；Marzocca等人，2024）。

FCAW像所有焊接工艺一样会对环境产生影响，包括产生焊接烟雾、飞溅物、噪音和废料。但由于其独特的工艺特性，这些影响更为显著。例如，FCAW产生的烟雾较多，可能导致重金属排放增加，并产生大量熔渣。不过，由于其较深的穿透力和更高的效率，实际电弧燃烧时间缩短，从而降低了焊接对环境的负面影响（Mert等人，2019；Benaouda等人，2024）。

药芯焊丝因其结构特性而特别容易受到环境影响。尽管这一问题具有实际重要性，但相关研究仍较为有限，文献中关于储存环境对焊丝及其焊接接头性能影响的数据较少。Harwig研究了模拟条件下焊丝的性能变化，揭示了储存条件对熔合物中扩散氢含量的影响（Harwig等人，1999）；Kiefer也研究了湿度及焊接参数对熔体内扩散氢含量的影响（Kiefer，1996）。现有研究表明，城市环境可能影响焊丝的机械性能和定位能力，并增加沉积金属中的扩散氢含量（?wierczyńska和Landowski，2020；Wolski等人，2024）。长期自然储存的焊丝也会改变焊接接头的机械性能（?wierczyńska，2019）。充分了解储存过程中焊接丝变化机制对于实现可持续生产至关重要。

**研究方法与结果**
本研究选取了8种直径为1.2毫米的金红石药芯焊丝进行测试。制造商推荐这些焊丝用于焊接普通和高强度钢材，最小屈服强度为460 MPa，适用于造船、海上结构、钢结构、桥梁、车辆、化工设备、管道、船舶制造等领域。根据制造商提供的资料，这些焊丝的氢扩散含量（Hd content）最大为5 ml/100g。新焊丝的表面如图2所示，具有金属光泽且表面光滑，仅有少量拉拔方向的凹槽，边缘整齐，无明显缺陷。焊丝被放置在气候试验箱中，并定期进行质量测量，结果如图3所示（四种储存条件下的质量变化曲线）。

**讨论**
正确管理焊接消耗品对于实现清洁高效的生产至关重要（Khan和Madhukar，2023）。本文综合研究了金红石药芯焊丝在不同自然和模拟储存条件下的性能变化。在这种情况下，最危险的现象可能是湿气渗透到电线核心，出现腐蚀中心，以及电线的性能发生变化。本文研究了非合金钢金红石焊剂芯焊丝在模拟存储条件下的影响，以评估其生产和废物管理的适用性。八种不同型号的焊剂芯焊丝被置于四个气候区的模拟环境中48小时，以评估这些因素对其质量的影响。根据研究结果，得出以下结论：

1. 对焊丝表面的观察表明，环境和CRedI因素对其性能有显著影响。

作者贡献声明：
Aleksandra ?wierczyńska：写作-审核与编辑、写作-初稿起草、项目监督、调查、数据分析、可视化设计、资源管理、方法论制定、资金筹集、概念构思。
Micha? Landowski：可视化设计、方法论制定、资源管理、调查。
Dariusz Fydrych：项目监督、调查、写作-初稿起草、方法论制定、数据分析。

资金支持：
感谢格但斯克工业大学通过DEC-18/2021/IDUB/I.3.3号资助计划，在“ARGENTUM TRIGGERING RESEARCH GRANTS—‘卓越计划—研究型大学’”项目下对这些研究提供的财务支持。

利益冲突声明：
作者声明，他们没有已知的利益冲突或可能影响本文研究内容的个人关系。